正向渗透咸水淡化新技术

诸平

1. 澳大利亚莫纳什大学的新研究

据C&EN网站2013年11月12日报道，澳大利亚莫纳什大学（Monash University）化工系和材料工程系的研究人员合作，借助太阳能，通过水凝胶高分子材料构成的半透膜可以实现使咸水淡化。此研究成果2013年10月23日已经在《环境科技》（Environ. Sci. Technol.）杂志网站发表——Amir Razmjou, Qi Liu,George P Simon, Huanting Wang. Bifunctional Polymer Hydrogel Layers As Forward Osmosis Draw Agents for ContinuousProduction of Fresh Water Using Solar Energy . Environ. Sci.Technol., Publication Date (Web): October 21, 2013. DOI: 10.1021/es403266y

图1（Fig. 1）是脱盐海绵的工作原理示意图。在一个新的正向渗透方法中，盐水溶液(saline solution用蓝色表示)位于左边，而半透膜(semipermeable membrane 用灰色表示)。因为渗透压差盐水会透过半透膜、通过水凝胶吸收层(Absorptivelayer即红色球体)而被吸收。接着再被第二层凝胶即脱水层(Dewatering layer蓝色球体)吸收,此时的水已经是脱盐之后的新鲜淡水。当一个太阳能捕获器将太阳光集中于第二层凝胶时,蓝色球体材料会收缩而释放被吸附的纯净水。

淡水资源的有限性和分布地域的不均衡性，是生活在缺水区域的人们所面临的严重问题之一。但是，海水虽然丰富而又无法直接饮用，如何来解决海水淡化问题，是淡水资源缺乏的地区可以利用海水资源的确是一种解决水源短缺，而值得探索的有效方法。不过海水淡化受到成本高昂限制，是大面积推广应用的主要障碍之一。随着海水淡化节能技术的发展，可以利用含盐水如海水和工业废水等来生产淡水供社区使用成为可能。但常用的方法如逆向渗透需要抽水,消耗大量的能源。因此,一些研究者已经转向正向渗透,因为在理论上正向渗透应该使用的能量会更少一些。现在澳大利亚莫纳什大学的研究团队已经演示了一个通过太阳光协助使咸水淡化的正向渗透体系(Environ. Sci. Technol., Publication Date (Web): October 21, 2013. DOI: 10.1021/es403266y).

像逆向渗透一样,正向渗透是通过半透膜从水中滤掉溶质（盐分）。但不是用泵使水通过半透膜,正向渗透方法依赖于渗透压驱动水使其穿过半透膜。为了创建这种渗透压,研究者在膜的另一边设置了所谓的吸引剂,例如其他盐溶液或吸水凝胶。一旦这些材料跨膜吸附新鲜水,研究人员已经找到一种从吸附有淡水的材料中，再来提取淡水的有效方法。对研究人员而言，开发一种节能的方法，其实就是最后一步所面临的挑战。

澳大利亚莫纳什大学王焕庭（Huanting Wang音译）和乔治·西蒙（George P. Simon）领导的一个研究团队,创建了一种正向渗透装置, 通过双重分层的水凝胶来提取淡水。在他们的设备中,淡水通过半透膜进入到一种由N-异丙基丙烯酰胺（N-isopropylacrylamide，简称NIPAM)和丙烯酸钠（sodium acrylate）构成的水凝胶之中，此过程会使凝胶体积膨胀10到20倍。接下来,第二层就是只由NIPAM构成的温度敏感性水凝胶从第一层凝胶中吸收水。当研究人员将第二层水凝胶加热到32 ℃时,凝胶的崩溃并挤出吸附的淡水。该研究团队的设备使用聚焦阳光来加热凝胶。他们用2000 ppm氯化钠溶液测试了该双层设备, 氯化钠含量为2000ppm是微咸水的标准浓度。一旦水凝胶被水充满,该模块可以生产淡水的速度为20 L /m²h。这与使用其他吸引剂如碳酸氢铵溶液的正向渗透的速度类似。但是碳酸氢铵溶液作为吸引剂，为了从吸引剂再提取淡水,必须加热溶液到大约60℃将碳酸氢铵转化为气体，通过低温蒸馏而除掉。而澳大利亚莫纳什大学的水凝胶正向渗透体系则不需要加热到60℃，只有32℃即可，这无疑有利于节约能源，降低咸水淡化成本。

尽管提取淡水的流速是令人鼓舞的,但是，此工艺的第一步--水凝胶吸收水和其他吸引剂相比较，要慢一个数量级。为了改进提高该系统的性能,澳大利亚莫纳什大学的研究小组设想运行许多并联的水凝胶模块。美国康涅狄格大学（University of Connecticut）化学工程教授对此研究的评价认为,该研究团队的概念的确是新颖的,它本质上是一种渗透性的海绵,当加热时海绵自身挤压使吸附的水排出。而且这种方法比其他吸引剂相比较，能源消耗最少,因为此设备是在相对低温（32 ℃）条件下提取淡水。但是他也提醒，该系统的淡水生产的速度必须提高一个数量级，才可以与其他咸水淡化的渗透方法相抗衡。

此研究成果论文的通讯作者王焕庭谈到，该设备也难以与一些淡化海水的设备进行比较,因为海水的盐浓度约为该研究团队测试液盐含量的17倍。他承认当前的方法将对于净化工业废水是最有效的,因为工业废水中盐浓度很低。更重要的是,工业生产过程中的废热可为淡水提取提供动力，"这将是一个完美的组合。"该团队现在正与上海宝钢合作，将此技术用于工业废水处理试验。

2. 咸水淡化的研究背景

水对于生命而言的重要性是众所周知、不言而喻的。就人体而言，尽管可能因年龄、性别和体型的胖瘦而存在明显个体差异，但是其中的水分约占人体组成的50％～80％。而自然界可以被人类利用的淡水资源却非常有限，且淡水的分布极为不均，在人们面临水资源缺乏困扰的同时，就已经开始考虑使用取之不尽用之不竭的海水资源。海水淡化(seawater desalination)是人类追求了数百年的梦想。早在400多年前，英国王室就曾悬赏征求经济合算的海水淡化方法。古代就有从海水中去除盐分的故事和传奇，但直到16世纪，人们才开始努力从海水中提取淡水。当时欧洲探险家在漫长的航海旅行中，就用船上的火炉煮加热海水产生水蒸气，冷却凝结即可得到纯水，这可以视为海水淡化技术的雏形。

1954年第一个海水淡化厂在美国建成，现在仍在得克萨斯的弗里波特（Freeport）运转着。美国佛罗里达州的基韦斯特（Key West）市的海水淡化厂是世界上最大的一个海水淡化企业，它供应着城市用水。另外海水淡化在中东地区很流行，在某些岛屿和船只上不得不通过海水淡化来提供饮用水，同时也可以得到食用盐。1960年全世界只有5家海水淡化厂，在70年代中期，由于众多的河流遭到严重污染，全世界有70%的人无法保证卫生、安全地用水。淡水资源的日益匮乏，使人们一再把目光投向浩瀚的海洋，只要将导致海水又苦又咸的盐类物质从中去除，就能获得淡水。地中海中部的马耳他，建有世界上最大的反渗透海水淡化厂。为岛上的3万居民和前来观光的旅游者提供淡水资源。目前海水淡化已遍及全世界125个国家和地区，海水淡化厂超过1.25万家，淡化水大约养活世界5%的人口。海水淡化，事实上已经成为世界许多国家解决缺水问题，普遍采用的一种战略选择，其有效性和可靠性已经得到越来越广泛的认同。

目前全球海水淡化技术超过20 余种，包括反渗透法、低多效、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏、露点蒸发法、水电联产、热膜联产以及利用核能、太阳能、风能、潮汐能海水淡化技术等等，还有微滤、超滤、纳滤等多项预处理和后处理工艺。目前应用反渗透膜的反渗透法以其设备简单、易于维护和设备模块化的优点迅速占领市场，逐步取代蒸馏法成为应用最广泛的咸水淡化方法。根据《2013-2017年中国海水淡化产业深度调研与投资战略规划分析报告》的分析报道，我国已建和即将建成的工程累计海水淡化能力约为60万吨/日，从政策规划来看，未来十年内行业市场容量有5倍以上的成长空间，前景较为乐观。目前淡化海水成本已降到4-5元/吨，预计“十二五”期间，我国海水淡化将达到150万-200万吨/日，是现有产能的三、四倍，投资规模将达到200亿元左右。关于海水淡化的更多信息请浏览百度百科：“海水淡化”。

3. 水资源与水需求

由于人类对水资源日益增长的使用需求和气候变化对水资源的影响，水资源的短缺现象正在日趋严重。水短缺直接会影响到人们的生活以及粮食安全问题,这是需要考虑的国际性问题。应用基于滤膜的处理工艺如纳米过滤(NF)、反渗透(RO)、膜蒸馏(MD)、正渗透的海水淡化和水回收已开始为解决淡水资源短缺提供一些解决方案。目前全世界有超过1.25万家海水淡化处理厂分布在120多个国家，主要在中东和加勒比地区。沙特阿拉伯通过蒸馏海水来满足其70%的水需求,英属维尔京群岛的托托拉岛（Tortola）的生活用水100%依靠海水淡化，而维尔京戈尔达岛（Virgin Gorda）的生活用水中有90%来自海水淡化。美国自来水厂协会是全世界最大的水专业组织，其4500家成员单位为美国80%的人口提供用水服务，它预测, 淡化水的世界市场在未来20年的增长将超过700亿美元。

美国佛罗里达的拉斯县（Pinellas County）在19世纪80年代，还是一个仅仅有30人居住的无名小地方，到了1892年被并入到佛罗里达市的圣彼得堡（St. Petersburg），人口增加到400人，1920年人口达到2.8万，五年之后,由于连接拉斯县和坦帕市的6英里大桥建成，使拉斯县的人口猛增到了5万。1950年人口接近16万，但是到了1970年当地人口已经飙升到52.2万。当今拉斯县的人口达到近100万,加上帕斯科县（Pasco County）和希尔斯堡县（Hillsborough County）的人口爆炸，居民生活用水出现严重短缺，原先在偏远的沿海县区购地打井抽提地下水，已经无法满足用水需求，地下水位下降导致附近的湿地已成为火灾隐患，附近的湖泊已经逐渐远离海岸。帕斯科县居民家的水龙头陆续出现干涸。虽然仅仅是美国一个小镇的变化，但是它告诉和提醒人们，节约用水，刻不容缓。